数字通信第三章语音信号的压缩编码

1、数字通信原理与技术数字通信原理与技术LCU1第第3章章语音信号的压缩编码语音信号的压缩编码数字通信数字通信LCU2PCM音频流的码率是采样率值音频流的码率是采样率值采样大小值采样大小值声道数声道数 bps。 采用采用PCM脉冲编码调制的数字电话的数码率为脉冲编码调制的数字电话的数码率为64kb/s； 视频视频:如如320233窗口中，以窗口中，以25帧帧/秒速度播放秒速度播放1分钟颜色数为分钟颜色数为8bit的视频信号，其数据量为：的视频信号，其数据量为： 320 233 82560/(81024 1024) 107(M) 对一首长约对一首长约4分钟的歌曲采样，将其存储在磁盘上，以分钟的歌曲采

2、样，将其存储在磁盘上，以CD音质音质的的WAV格式抽样，抽样率为格式抽样，抽样率为44.1kHz，即每秒钟接收，即每秒钟接收44100个值，个值，立体声，每次抽样数据为立体声，每次抽样数据为16位（位（2字节），则这首歌占的空间为：字节），则这首歌占的空间为： 44100 x2声道声道x2字节字节x60秒秒x4分钟分钟=40.4MB 如果下载传输率为如果下载传输率为56kbps，则下载时间为：，则下载时间为： 40.4x106x8/56x103x60= 96分钟分钟 即使是即使是1M的宽带网也需的宽带网也需5分钟分钟以上以上。数字通信数字通信LCU3一、无损压缩一、无损压缩 以以香农第一定理香

3、农第一定理作为理论基础，即在一定的概率模型下，无损作为理论基础，即在一定的概率模型下，无损压缩的编码长度不可能小于信息熵。压缩的编码长度不可能小于信息熵。Shannon 编码编码-Fano-Huffman编码编码 Ziv 和和 Lempel 于于 1977 年发表题为年发表题为“顺序数据压缩的一个通用顺序数据压缩的一个通用算法算法”的论文，提出了的论文，提出了 LZ77 算法算法。 LZLZ算法被认为是字符串匹配的算法。算法被认为是字符串匹配的算法。例如：在一段文本中某字例如：在一段文本中某字符串经常出现，并且可以通过前面文本中出现的字符串指针来符串经常出现，并且可以通过前面文本中出现的字符串

4、指针来表示。当然这个想法的前提是指针应该比字符串本身要短。表示。当然这个想法的前提是指针应该比字符串本身要短。 例如，在上一段短语例如，在上一段短语“字符串字符串”经常出现，可以将除第一个字经常出现，可以将除第一个字符串之外的所有用第一个字符串引用来表示，从而节省一些空符串之外的所有用第一个字符串引用来表示，从而节省一些空间。间。 一个字符串引用通过下面的方式来表示：一个字符串引用通过下面的方式来表示： 1 唯一的标记唯一的标记2 偏移数量偏移数量3 字符串长度字符串长度类似字典中的页码和行号代替文章中每个单词类似字典中的页码和行号代替文章中每个单词 应用：应用： PKZIP 、 WinZIP

5、 、 WinRAR 、 gzip 等压缩工具等压缩工具数字通信数字通信LCU4二、有损压缩二、有损压缩 香农第三定理香农第三定理- -限失真信源编码定理限失真信源编码定理 如果在压缩这一类图像数据时允许改变一些不太重要的像素如果在压缩这一类图像数据时允许改变一些不太重要的像素值，或者说允许损失一些精度我们就有可能在压缩效果上获值，或者说允许损失一些精度我们就有可能在压缩效果上获得突破性的进展。得突破性的进展。 在压缩通用数据时，我们绝不会容忍任何精度上的损失，但在压缩和在压缩通用数据时，我们绝不会容忍任何精度上的损失，但在压缩和显示一幅数码照片时，如果一片树林里某些树叶的颜色稍微变深了一显示一

6、幅数码照片时，如果一片树林里某些树叶的颜色稍微变深了一些，看照片的人通常是察觉不到的些，看照片的人通常是察觉不到的 通过在用户的忍耐范围内损失一些精度，我们可以把图像通过在用户的忍耐范围内损失一些精度，我们可以把图像（也包括音频和视频）压缩到原大小的（也包括音频和视频）压缩到原大小的十分之一、百分之一十分之一、百分之一甚至千分之一甚至千分之一，这远远超出了通用压缩算法的能力极限。，这远远超出了通用压缩算法的能力极限。-退一步海阔天空退一步海阔天空数字通信数字通信LCU52.1 JPEG 在图像压缩领域，著名的在图像压缩领域，著名的 JPEG 标准是有损压缩算标准是有损压缩算法中的经典。法中的经

7、典。 JPEG 以以离散余弦变换（离散余弦变换（ DCT ）为核心算法，通过为核心算法，通过调整质量系数控制图像的精度和大小。调整质量系数控制图像的精度和大小。 对于照片等连续变化的灰度或彩色图像，对于照片等连续变化的灰度或彩色图像， JPEG 在在保证图像质量的前提下，一般可以将图像压缩到原保证图像质量的前提下，一般可以将图像压缩到原大小的大小的十分之一到二十分之一十分之一到二十分之一。如果不考虑图像质。如果不考虑图像质量，量， JPEG 甚至可以将图像压缩到甚至可以将图像压缩到“无限小无限小”。数字通信数字通信LCU6YUV颜色模式颜色模式-RGB图像数据结构图像数据结构一般采用的采样比例

8、是一般采用的采样比例是2：1：1或或4：2：2。采。采样后图像数据量将压缩为原来的一半。样后图像数据量将压缩为原来的一半。DCT（DiscreteConsineTransform）是将图）是将图像信号在频率域上进行变换，分离出高频像信号在频率域上进行变换，分离出高频和低频信息的处理过程。然后再对图像的和低频信息的处理过程。然后再对图像的高频部分（即图像细节）进行压缩，以达高频部分（即图像细节）进行压缩，以达到压缩图像数据的目的。变换后得到一个到压缩图像数据的目的。变换后得到一个频率系数矩阵，其中的频率系数都是浮点频率系数矩阵，其中的频率系数都是浮点数。数。频率系数量化频率系数量化-整数。质量因

9、子的选取值过大，整数。质量因子的选取值过大，可以大幅度提高压缩比，但是图像质量就比较可以大幅度提高压缩比，但是图像质量就比较差；反之，质量因子越小（最小为差；反之，质量因子越小（最小为1），图像），图像重建质量越好，但是压缩比越低。重建质量越好，但是压缩比越低。 编码采用两种机制：一是编码采用两种机制：一是0值的行程长度编值的行程长度编码；二是熵编码（码；二是熵编码（EntropyCoding）。）。数字通信数字通信LCU72.2 mp3 人耳感受声音的频率范围是人耳感受声音的频率范围是20Hz-20kHz，MP3截掉了大量的截掉了大量的冗余信号和无关的信号，编码器通过混合滤波器组将原始声冗余

10、信号和无关的信号，编码器通过混合滤波器组将原始声音变换到频率域，利用心理声学模型，估算刚好能被察觉到音变换到频率域，利用心理声学模型，估算刚好能被察觉到的噪声水平，再经过量化，转换成的噪声水平，再经过量化，转换成Huffman编码，形成编码，形成MP3位流。位流。 MP3音频压缩包含音频压缩包含编码编码和和解码解码两个部分。编码是将两个部分。编码是将WAV文件文件中的数据转换成高压缩率的位流形式，解码是接受位流并将中的数据转换成高压缩率的位流形式，解码是接受位流并将其重建到其重建到WAV文件中。文件中。数字通信数字通信LCU8在在MP3编码中编码中 ,输入的数字音频信号即输入的数字音频信号即

11、PCM采样信号进入子带采样信号进入子带滤波器组后滤波器组后 ,被分成被分成 32 个子带信号个子带信号 MDCT(改进离散余弦变换改进离散余弦变换)把子带的输出在频域里进一步地细把子带的输出在频域里进一步地细分成分成 18 个频线个频线 ,这样共产生这样共产生 576 个频线个频线.然后利用然后利用 心理声学模心理声学模型计算出子带信号的信掩比型计算出子带信号的信掩比 ,根据这些信掩比决定分配给根据这些信掩比决定分配给 576个个频线的比特数频线的比特数 ,分别对他们进行比特分配和可变步长量化分别对他们进行比特分配和可变步长量化.量化量化后的样值再经过无失真的哈夫曼编码后的样值再经过无失真的哈

12、夫曼编码 ,以提高编码效率以提高编码效率 ,并与比并与比特分配和量化产生的边信息一起组成一帧数据特分配和量化产生的边信息一起组成一帧数据.MP3 编码的一帧数据包括两个组编码的一帧数据包括两个组 ,每组有每组有576个频线和与他们个频线和与他们相关的边信息相关的边信息 ,边信息被存储在每一帧的帧头中边信息被存储在每一帧的帧头中.对这样一帧一对这样一帧一帧组成的比特流帧组成的比特流 ,MP3解码器可以独立的进行解码解码器可以独立的进行解码 ,而不需要额而不需要额外的信息了外的信息了.数字通信数字通信LCU9本章内容本章内容 自适应差值脉冲调制自适应差值脉冲调制 32kbps 增量调制增量调制 3

13、2kbps 子带编码子带编码 16kbps 矢量量化编码矢量量化编码* 1.2kbps 参数编码参数编码 4.8kbps以下以下把数码率低于把数码率低于64kbps的语音编码方法称为的语音编码方法称为语音压缩编码语音压缩编码技术。技术。数字通信数字通信LCU10第第1节节DPCM学习提纲学习提纲 （1 1）差分脉冲编码调制原理和方框图，差值信号、预测信）差分脉冲编码调制原理和方框图，差值信号、预测信号、重建信号的含义，差分脉冲编码调制的编码增益；号、重建信号的含义，差分脉冲编码调制的编码增益； （2 2）线性预测原理，极点预测和零点预测的基本概念和物）线性预测原理，极点预测和零点预测的基本概念

14、和物理意义；理意义； （3 3）自适应预测和自适应量化的基本概念和物理意义。）自适应预测和自适应量化的基本概念和物理意义。数字通信数字通信LCU11一、一、 DPCM的基本原理的基本原理 一般一般PCM对样值信号编码都是按照样值幅度独立进行，每对样值信号编码都是按照样值幅度独立进行，每一编码码组允许的信号动态范围就是原信号的动态范围，它一编码码组允许的信号动态范围就是原信号的动态范围，它比较大，需要较多编码位数。比较大，需要较多编码位数。 任何信号任何信号,不论语音或图像不论语音或图像,采用直接采样采用直接采样-量化量化-编码的方式进编码的方式进行编码行编码,都会发现码组之间具有很强的都会发现

15、码组之间具有很强的相关性相关性. 由于相关性的存在由于相关性的存在,传输数据中存在大量不需要传输的信息传输数据中存在大量不需要传输的信息,称为称为冗余冗余.数字通信数字通信LCU12差值脉冲编码调制（差值脉冲编码调制（DPCM）就是考虑利用信号相关性找到）就是考虑利用信号相关性找到可以反映信号变化特征的一个差值进行编码。可以反映信号变化特征的一个差值进行编码。（通过（通过预测预测和和差差值编码值编码方式来减少冗余方式来减少冗余,实现数据压缩的目的）实现数据压缩的目的） 编码：编码： 对信号实际值和预测值的差值进行量化编码并传输对信号实际值和预测值的差值进行量化编码并传输. 译码：译码： 接收端

16、将接收到的差值和恢复的预测值相加得到此次接收端将接收到的差值和恢复的预测值相加得到此次采样值采样值. 由于只传输动态范围较小的差值由于只传输动态范围较小的差值,所以编码的码组不需太长所以编码的码组不需太长,在在DPCM中中,一般采用一般采用4位位.数码率为数码率为8k*4bit=32kbps1.差值脉冲编码调制（差值脉冲编码调制（ Differential Pulse Code Modulation ）的概念）的概念数字通信数字通信LCU131）预测）预测:指当知道有冗余性（相关性）信号的一部分时就可以对指当知道有冗余性（相关性）信号的一部分时就可以对其余部分进行推断和估计。其余部分进行推断和

17、估计。（通过前几次的样值来预测后一次（通过前几次的样值来预测后一次的样值）的样值） 假如有一个信号假如有一个信号x(t),用速率用速率1/TS进行采样，那么进行采样，那么在时刻在时刻t=nTs，我们可以掌握此前，我们可以掌握此前N个样值序列个样值序列 x(nTs-Ts), x(nTs-2Ts),x(nTs-NTs) 根据前根据前N个样值对个样值对x(nTs)进行预测进行预测,定义为定义为:1()()Nsissix nTW x nTiTWi-加权常数，可为常数或变量加权常数，可为常数或变量-x(nTs)的预测值。的预测值。()sx nT数字通信数字通信LCU14预测过程可用预测过程可用横截滤波器

18、横截滤波器实现实现数字通信数字通信LCU15 所谓差值脉冲编码就是所谓差值脉冲编码就是对真正样值对真正样值x(nTs)与以过去与以过去样值为基础得到的估计值样值为基础得到的估计值 之间的差值进行之间的差值进行量化和编码。量化和编码。 在每个抽样时刻到来时，滤波器输出将会给出下一在每个抽样时刻到来时，滤波器输出将会给出下一个样值的预测值。个样值的预测值。注意：预测值与实际值并不相同。注意：预测值与实际值并不相同。()sx nT数字通信数字通信LCU162、DPCM的系统原理框图的系统原理框图 后向序贯自适应预测算法后向序贯自适应预测算法量化后的差值量化后的差值输入端抽样信号输入端抽样信号接收端重

19、建接收端重建信号信号预测信号预测信号DPCM输出码字输出码字差值差值数字通信数字通信LCU17编码器和译码器中的预测器应完全相同。编码器和译码器中的预测器应完全相同。DPCM的的总量化误差总量化误差定义为定义为( )( )( )e nx nx n根据原理框图：根据原理框图：( )( )( )x nd nx n ( )( )( )d nx nx n 所以有所以有( )( )( )e nd nd nDPCM系统总量化误差只和差值信号的量化误差有关。系统总量化误差只和差值信号的量化误差有关。图图3.1.3说明了预测原理说明了预测原理数字通信数字通信LCU18举例：举例：4-DPCM系统编码器系统编码

20、器量化器特性量化器特性3()20()2( )2()03()2qqqqdkTsdkTsd ndkTsdkTs ( )310( )( )01( )00( )3d nd nc nd nd n 试分别画出试分别画出 的的c(n)波形波形( )2.7d t 编码器特性编码器特性数字通信数字通信LCU19线性预测网络线性预测网络可分为可分为极点预测器极点预测器和和零点预测器零点预测器两种两种（1 1）极点预测器极点预测器（即采用重建信号（即采用重建信号 进行的预测）进行的预测）3.3.极点与零点预测极点与零点预测( )x nP88 图图3.1.4设发送系统预测器传递函数为设发送系统预测器传递函数为P(Z)

21、1()()Njjjx Za x Z Z1P(Z)=Njjja Z预测器传递函数为：+-( )x n( )x n( )d n( )d n1Njjja Z+1( )()Njjx na x nj数字通信数字通信LCU20式中式中 是一组预测系数。是一组预测系数。ja 由于重建滤波器传递函数由于重建滤波器传递函数只有极点没有零点只有极点没有零点,故称为故称为全极点预测器全极点预测器.( )( )( ) ( )x Zd Zx Z P Z重建信号 1( )1H( )( )(1)Njjjx Zzd Za z重建滤波器的传函：数字通信数字通信LCU21（2 2）零点预测器）零点预测器（即采用重建信号（即采用重

22、建信号 进行的预测）进行的预测）( )d nP89 图图3.1.51()()Mjjjx Zb d Z Z 重建滤波器的传递函数重建滤波器的传递函数只有零点没有极点只有零点没有极点，称称为为全零点预测器。全零点预测器。1( )( )(1)Mjjjx Zd Zb Z重建信号 1( )H( )1( )Mjjjx Zzb Zd Z 重建滤波器的传函：1( )()Mjjx nb d nj数字通信数字通信LCU22（3）极零点预测器（把零点和极点预测器组合起来）极零点预测器（把零点和极点预测器组合起来） P89 图图3.1.61111( )()()1H ( )1NMjjjjMjjjNjjjx na x n

23、jb d njb Zza Z重 建 滤 波 器 的 传 函 ：有零点有极点有零点有极点,称为称为极零点预测器极零点预测器数字通信数字通信LCU23系统信噪比定义为：系统信噪比定义为：22()()E xnSN RE en=)()()()(2222neEndEndEnxE=qPSNRG 预测器增益预测器增益量化器的量化量化器的量化信噪比信噪比GP1预测器有预测器有增益增益加预测器后加预测器后反而不利反而不利2x2d2e4.4.预测增益预测增益数字通信数字通信LCU24 要使信号总信噪比大要使信号总信噪比大,就要使预测增益大就要使预测增益大,也就也就是使差值是使差值d(n)减小，增加预测的准确性；同

24、时还要求减小，增加预测的准确性；同时还要求降低降低e(n)，达到最佳量化，达到最佳量化. 只有采用自适应系统，才能得到最佳性能。只有采用自适应系统，才能得到最佳性能。有自适应系统的有自适应系统的DPCM称为称为ADPCM(自适应差值脉码自适应差值脉码调制调制)数字通信数字通信LCU25二、二、 自适应量化自适应量化 1、最佳量化、最佳量化 用用均方误差均方误差D衡量量化器对衡量量化器对x带来的损伤带来的损伤 使使D最小的量化特性为最小的量化特性为最佳量化特性最佳量化特性 y(n)有有N个可能的取值，可变为个可能的取值，可变为22 ( ) ( )( ) DEe nEy nx n21( )( )

25、NkkDEy nx n121() ( )kkNxkxkyx p x dx数字通信数字通信LCU26说明：说明：1）最佳判决电平在相邻量化电平中心上）最佳判决电平在相邻量化电平中心上 2）量化电平在相应间隔的功率密度函数的重）量化电平在相应间隔的功率密度函数的重 心上心上max0min,Nxxxx11( )1,2,.,( )kkkkxxkxxxp x dxykNp x dx0kkDDxy可得11,2,.12kkkyyxkN 数字通信数字通信LCU27高斯分布，非均匀量化器最佳值高斯分布，非均匀量化器最佳值N=8xkoptykopt00.2640.510.7561.051.3441.7482.15

26、2数字通信数字通信LCU28介绍以下两种方式：介绍以下两种方式： 1）前向自适应量化：）前向自适应量化： 严格根据严格根据输入方差输入方差确定量化器分级判决电平确定量化器分级判决电平xk与量化器的量化电平与量化器的量化电平yk值，称为前向自适应。值，称为前向自适应。 这种方法在实时系统不易实现。这种方法在实时系统不易实现。2.自适应量化自适应量化 自适应量化指自适应量化指量化器的量化间隔（阶距）能随信号量化器的量化间隔（阶距）能随信号的瞬时值作自适应调整的瞬时值作自适应调整,以达到最佳量化。以达到最佳量化。 为使量化器始终处于最佳状态或接近最佳状态，量为使量化器始终处于最佳状态或接近最佳状态，

27、量化器参数（化器参数（量化电平量化电平yk、分级判决电平、分级判决电平xk、量、量阶阶 ）能够自适应差值信号）能够自适应差值信号d(n)变化。变化。数字通信数字通信LCU292）后向自适应量化）后向自适应量化 根据前一时刻的输出数字码根据前一时刻的输出数字码C(n-1)或量化器输出值或量化器输出值y(n-1)来确定本次来确定本次x(n)与与y(n)称为后向自适应。称为后向自适应。 Jayant提出的一码字后向自适应算法：根据离量提出的一码字后向自适应算法：根据离量化器最近的化器最近的Rbit码字，确定现在的量阶码字，确定现在的量阶 (n)。(1)(1)(1)2(1)1,3,5.21Rny nI

28、 nI n其中已知：已知：( )| (1)|(1)nMI nn下一量阶下一量阶（n-1）时刻）时刻 幅度幅度I的的函数，与此时量化函数，与此时量化电平有关电平有关现在量阶现在量阶数字通信数字通信LCU30为解决误码扩散为解决误码扩散问题问题,因此采用修正式因此采用修正式:( )| (1)|(1)nM I nn -衰减因子（抗误码因子）衰减因子（抗误码因子）-量化间隔调整因子量化间隔调整因子| (1)|MI n图图3.1.8R=3M10.9M20.9M31.25M41.757(1)25(1)2(1).5(1)27(1)2nny nnn 数字通信数字通信LCU311、最佳线性预测器、最佳线性预测器

29、 预测器具有一组预测系数预测器具有一组预测系数 , ,怎样选择这一怎样选择这一组数据，使组数据，使预测值更接近实际值预测值更接近实际值，使差值功率使差值功率Ed2 (n) 最小最小，实现，实现GP和和SNR的最大，是最佳预测器所要解决的最大，是最佳预测器所要解决的问题。的问题。jbja三、三、 自适应预测自适应预测数字通信数字通信LCU321）一阶固定线性预测）一阶固定线性预测 假定一阶预测，即假定一阶预测，即 , ,1N 1( )( )( )( )(1)d nx nx nx nh x n222211 1( )(12)dxE dnhp h1122min1optdxhpp 22110ddhh令，

30、可以求得最佳 ，使得最小12 ( ) (1)( )E x n x npE xn数字通信数字通信LCU3322 ( ) (2)( )E x n x npE xn2)二阶固定预测器二阶固定预测器 12( )( )(1)(2)d nx nh x nh x n22( )dE dn222212min121()1dxpppp21221122211(1)()(1)(1)optoptpppphhpp除去除去 之外，二阶预测的误差总比一之外，二阶预测的误差总比一阶预测的小阶预测的小 212pp222121200dddhhhh令，可以求得最佳 ， ，使得最小数字通信数字通信LCU348KHz抽样的语音信号的相关系

31、数抽样的语音信号的相关系数p01.00p10.79p20.38p30.05p4-0.08p5-0.16数字通信数字通信LCU35求偏微分，并令为零求偏微分，并令为零2221( ) ( )( ) ( )() NjjE dnEx nx nEx nh x nj2( )01,2,.jE dnjNh3)N阶最佳线性预测阶最佳线性预测 最佳线性预测器是最佳线性预测器是均方预测误差最小均方预测误差最小的预测器，的预测器，可获得最大预测增益可获得最大预测增益GP和最大信噪比。和最大信噪比。数字通信数字通信LCU36所以得到一组线性方程所以得到一组线性方程12(1)(0)(1).(1)(2)(1)(0).(2)

32、.(1) (2) .(0)()optoptNoptRhRRR NRhRRR NR NR NRhR N 1optxxxxhRr数字通信数字通信LCU37 差值信号在差值信号在预测系数取最佳值时预测系数取最佳值时最小，有最小，有12(1)(0)(1).(1)(2)(1)(0).(2).,.(1) (2) .(0)()optoptxxxxopthRRRR NhRRRR NR NR NRR N rRh其中.Nopth最佳预测增益最佳预测增益2221( )1( )( )1( )PoptNjoptiE xnGRjE dnhE xn( ) ( ) ()1,2,.1R jE x n x njjN数字通信数字通

33、信LCU384)GP与预测阶数的关系与预测阶数的关系 预测通常要选用前多少次的样值来参与，见下图预测通常要选用前多少次的样值来参与，见下图 当阶数大于当阶数大于2时，最佳预测增益就趋于饱和，时，最佳预测增益就趋于饱和，饱和值一般为饱和值一般为6-12dB数字通信数字通信LCU392、 自适应预测自适应预测 为了获得最大的预测增益为了获得最大的预测增益,通常采用通常采用自适应预测自适应预测方方式式,预测系数在预测过程中实时调整预测系数在预测过程中实时调整.l 前向自适应预测算法前向自适应预测算法l后向序贯自适应预测算法后向序贯自适应预测算法 最佳预测系数是根据量化后的编码数据最佳预测系数是根据量

34、化后的编码数据x(n)进行估值，可进行估值，可以快速修正系数。如果由一个样值至一个样值逐个修正则称为以快速修正系数。如果由一个样值至一个样值逐个修正则称为序贯后向自适应预测序贯后向自适应预测。推导过程：搜索底部顶点的过程（利用梯度），图推导过程：搜索底部顶点的过程（利用梯度），图3.1.10数字通信数字通信LCU402(1)( )( )/2snnn hhd梯度法中，按样值顺序逐个重新调整梯度法中，按样值顺序逐个重新调整n时刻给定时刻给定的矢量的矢量h(n),每次的调整量正比于梯度估值的负数。每次的调整量正比于梯度估值的负数。 均方差期望梯度均方差期望梯度估值矢量估值矢量调整步长，常数调整步长，

35、常数数字通信数字通信LCU41四、四、32kbit/s的的ADPCM编译码系统编译码系统 ADPCM主要改进：量化器和预测器均采用自主要改进：量化器和预测器均采用自适应方式，使量化器和预测器的参数能随输适应方式，使量化器和预测器的参数能随输入信号的统计特性自适应于最佳或接近于最入信号的统计特性自适应于最佳或接近于最佳参数状态。佳参数状态。 ADPCM编译码器原理框图编译码器原理框图 P99数字通信数字通信LCU42 自适应量化自适应量化 自适应预测自适应预测（6个零点和个零点和2个极点）个极点）数字通信数字通信LCU43数字通信原理与技术数字通信原理与技术LCU443.2 增量调制增量调制 M

36、数字通信数字通信LCU45单元概述 增量调制可以看成是增量调制可以看成是DPCM的一种特例。的一种特例。 简单增量调制存在斜率过载问题和颗粒噪声问题，简单增量调制存在斜率过载问题和颗粒噪声问题，因而演变出因而演变出自适应增量调制自适应增量调制和和音节压扩自适应调音节压扩自适应调制。制。数字通信数字通信LCU46单元学习提纲 （1）简单增量调制）简单增量调制(M)原理，预测信号、重建信原理，预测信号、重建信号、量化器输出电平、量化噪声、斜率过载的概号、量化器输出电平、量化噪声、斜率过载的概念；念； （2）简单增量调制抽样周期、量阶与信号的关系；）简单增量调制抽样周期、量阶与信号的关系； （3）A

37、DM、CVSD原理；原理； 数字通信数字通信LCU471 1、简单增量调制的原理、简单增量调制的原理 M可以看成是可以看成是DPCM的一种特例，也称为的一种特例，也称为1bit量量化的差值编码。化的差值编码。 量化器把预测差值量化器把预测差值d(n)仅量化成仅量化成+1或或-1，预测器，预测器常用常用一阶预测一阶预测，用积分器实现。，用积分器实现。 它只用一位二进制码表示幅度量化，这一位码它只用一位二进制码表示幅度量化，这一位码表示的是前后抽样值的变化趋势（增加或减小，称表示的是前后抽样值的变化趋势（增加或减小，称为增量），故称为为增量），故称为增量调制。增量调制。 为减小量化误差，增量调制为

38、减小量化误差，增量调制必须采用比必须采用比PCM高高很多的抽样频率很多的抽样频率。数字通信数字通信LCU48编码电路如图所示：编码电路如图所示：1)预测：取前一次的重建值，预测：取前一次的重建值，a1=1，称为一阶预测，称为一阶预测器。器。( )(1)x nx n数字通信数字通信LCU492）量化）量化 若差值信号若差值信号d(n)大于零大于零（本次样值大于预测值）（本次样值大于预测值）( )d n ( ) 0c n 若差值信号若差值信号d(n)小于零小于零（本次样值小于（本次样值小于预测值预测值）( ) 1c n ( )( )( )( )(1)d nx nx nx nx n( )d n (

39、)( )( )sgn ( )d nb nb nd n数字通信数字通信LCU50数字通信数字通信LCU51显然，显然， 可看作可看作 和和 的累加和。的累加和。( )x n(1)x n1( )(1)(1)x na x nx n( )( )( )(1)( )x nx nd nx nb n 因为因为得到得到3）重建信号）重建信号数字通信数字通信LCU52 增量调制的基本思想是用一个增量调制的基本思想是用一个阶梯波阶梯波去逼近一个模拟信号，去逼近一个模拟信号，如图所示。如图所示。如果抽样频率足够高，台阶电压足够小，则阶梯波形如果抽样频率足够高，台阶电压足够小，则阶梯波形 近似为近似为 ，而上升台阶和下

40、降台阶的二进制代码分别，而上升台阶和下降台阶的二进制代码分别用用“0和和“1表示。表示。( )qm t( )m t数字通信数字通信LCU534）如要求）如要求 准确跟踪准确跟踪x(n)，需要满足，需要满足( )x nmax( )sdx nTdt M存在存在斜率过载斜率过载问题问题: 当采样周期决定的固有斜率当采样周期决定的固有斜率 /TS比输入信号的斜率比输入信号的斜率小时小时,固定量阶的积分跟不上输入信号幅度变化时固定量阶的积分跟不上输入信号幅度变化时,将产将产生生斜率过载斜率过载或或过载噪声过载噪声.max( )sdx nTdt若数字通信数字通信LCU54 在信号变化比较缓慢的区域内，编码

41、后得到的序列在信号变化比较缓慢的区域内，编码后得到的序列会是会是“1”和和“0”交替变化交替变化的，这种现象称为的，这种现象称为颗粒噪颗粒噪声声。失真的大小与信号的性质、量阶大小、抽样频失真的大小与信号的性质、量阶大小、抽样频率有关。率有关。数字通信数字通信LCU55数字通信数字通信LCU565）其接收解调原理图如：）其接收解调原理图如：数字通信数字通信LCU572 2、数字压扩自适应增量调制、数字压扩自适应增量调制 简单增量调制有两大问题简单增量调制有两大问题 1、信号频率高，量阶相对小，量化跟不上变化，、信号频率高，量阶相对小，量化跟不上变化，产生过载失真。产生过载失真。 2、信号频率低，

42、量阶相对大，产生量化失真、信号频率低，量阶相对大，产生量化失真（颗粒噪声）。（颗粒噪声）。数字通信数字通信LCU58瞬时压扩增量调制瞬时压扩增量调制ADM( )( )d nn ( ) 0c n ( ) 1c n ( )( )d nn 阶距信息阶距信息 无论在发送端还是在接收端，都是从码字序列中无论在发送端还是在接收端，都是从码字序列中提取的，其大小由提取的，其大小由自适应逻辑部分自适应逻辑部分控制，即码字信号经阶距控制，即码字信号经阶距逻辑系统后调整逻辑系统后调整 的大小。图的大小。图3.2.3( )n( )n( )(1)npnp为为c(n)和和c(n-1)二者的函数二者的函数P114 图图3

43、.2.4数字通信数字通信LCU59连续可变连续可变斜率增量调制斜率增量调制音节：音节：指信号幅度包络的变化周期，对于语音指信号幅度包络的变化周期，对于语音信号，就是音量变化的周期。信号，就是音量变化的周期。音节压扩：音节压扩：使量阶使量阶(n)随着每个音节时间间隔内的随着每个音节时间间隔内的 信号平均斜率变化，称为连续可变斜率信号平均斜率变化，称为连续可变斜率 增量调制增量调制 数字通信数字通信LCU60比较器：比较器：使带限的语音信号与预测滤波器输出的预测使带限的语音信号与预测滤波器输出的预测 信号之间产生一个误差信号信号之间产生一个误差信号量化器：量化器：阶距受一音节压扩器的控制。阶距受一

44、音节压扩器的控制。压扩器：压扩器：检测到连续检测到连续3个或个或4个个1或或0的码元，产生一个的码元，产生一个V 伏脉冲，激励音节滤波器；否则无脉冲伏脉冲，激励音节滤波器；否则无脉冲预测器：预测器：一个在一个在16Hz以上具有以上具有3dB衰减的积分器衰减的积分器CVSD原理图原理图CVSD主要组成部分主要组成部分数字通信数字通信LCU61数字通信数字通信LCU62 1、检测编码输出信号的连、检测编码输出信号的连“1”或连或连“0”，连，连“1”过多或连过多或连“0”过多，说明信号的斜率大。过多，说明信号的斜率大。 2、将所检出的脉冲送入平滑电路（积分器，、将所检出的脉冲送入平滑电路（积分器，

45、时常数为时常数为5-20ms)，产生一缓慢变化电压，这个电，产生一缓慢变化电压，这个电压与语音信号的平均斜率成正比。压与语音信号的平均斜率成正比。 3、将这个电压对输入脉冲串进行调幅，当连码、将这个电压对输入脉冲串进行调幅，当连码多导致平滑电路输出电平高（输入信号斜率大），调多导致平滑电路输出电平高（输入信号斜率大），调幅器输出信号大，扩张了量化电平。幅器输出信号大，扩张了量化电平。CVSD原理图原理图数字通信数字通信LCU63(1)( )(1) ( ) ( )x nax nan c n( )sgn ( )( )c nx nx n输出数码；a 漏泄常数；( )x nn第 个输入抽样值；( )n

46、n第 个阶距，它是通过音节压扩产生的。 V-编码器产生了编码器产生了3个或个或4个连续个连续1或或0码元时，自适应逻辑码元时，自适应逻辑 的输出电压值的输出电压值 V1-加到加到V上的一个恒定电压，以保证最小阶距不是零上的一个恒定电压，以保证最小阶距不是零 音节滤波器的系数音节滤波器的系数 算法公式：算法公式：1(1)( )(1)()nnVV数字通信数字通信LCU64数字压扩增量调制对信噪比的改进情况如图所示数字压扩增量调制对信噪比的改进情况如图所示数字通信原理与技术数字通信原理与技术LCU65四、四、 子带编码子带编码数字通信数字通信LCU66单元学习提纲 （1）子带编码原理；）子带编码原理

47、； （2）子带传输速率的计算；）子带传输速率的计算； （3）子带的划分方法；）子带的划分方法； （4）正交镜象滤波器）正交镜象滤波器 数字通信数字通信LCU671 1、子带编码原理、子带编码原理 子带编码（子带编码（SBC，Sub-band Coding）是一种在）是一种在频率频率域域中进行数据压缩的方法。中进行数据压缩的方法。 在子带编码中，首先用一组带通滤波器将输入信号分在子带编码中，首先用一组带通滤波器将输入信号分成若干个在不同频段上的子带信号成若干个在不同频段上的子带信号; 然后将这些子带信号经过频率搬移转变成基带信号，然后将这些子带信号经过频率搬移转变成基带信号，再对它们在奈奎斯特速

48、率上分别重新取样。再对它们在奈奎斯特速率上分别重新取样。 每个子带取样后的信号经过单独的自适应每个子带取样后的信号经过单独的自适应PCM编码，编码，并合并成一个总的码流传送给接收端。并合并成一个总的码流传送给接收端。 数字通信数字通信LCU68编码器编码器APCM工作原理图工作原理图数字通信数字通信LCU69 在接收端，首先把码流分成与原来的各子带信号相对在接收端，首先把码流分成与原来的各子带信号相对应的子带码流，然后解码、将频谱搬移至原来的位置，应的子带码流，然后解码、将频谱搬移至原来的位置，最后经带通滤波、相加，得到重建的信号。最后经带通滤波、相加，得到重建的信号。解码器解码器数字通信数字

49、通信LCU70对每个子带分别编码的好处对每个子带分别编码的好处（1 1）可以利用人耳（或人眼）对不同频率信号的感知）可以利用人耳（或人眼）对不同频率信号的感知灵敏度不同的特性，在人的听觉（或视觉）不敏感的灵敏度不同的特性，在人的听觉（或视觉）不敏感的频段采用较粗糙的量化，从而达到数据压缩的目的。频段采用较粗糙的量化，从而达到数据压缩的目的。 例如：例如：音调和共振峰音调和共振峰，用较小的量化阶、较多的量，用较小的量化阶、较多的量化级数，即分配较多的比特数来表示样本值。化级数，即分配较多的比特数来表示样本值。 而而话音中的摩擦音和类似噪声的声音话音中的摩擦音和类似噪声的声音，通常出现在，通常出现

50、在高频子带中，用较大量化阶距，分配较少的比特数。高频子带中，用较大量化阶距，分配较少的比特数。数字通信数字通信LCU71 （2 2）每个子带使用独立的量化阶距，这就可以避免）每个子带使用独立的量化阶距，这就可以避免能量较小的频带内的信号被其他频带中的量化噪声所能量较小的频带内的信号被其他频带中的量化噪声所掩盖。掩盖。 （3 3）通过频带分裂，各个子带的取样频率可以成倍）通过频带分裂，各个子带的取样频率可以成倍下降。下降。16kbps SBC26.5kbps ADPCM9.6kbps SBC19kbps ADMMp3编码器编码器数字通信数字通信LCU722 2、传输速率、传输速率 在子带编码中，

51、若各个子带的带宽在子带编码中，若各个子带的带宽Wk是相同的，则是相同的，则称为称为等带宽子带编码等带宽子带编码，否则，称为，否则，称为变带宽子带编码变带宽子带编码。 1/MskkkIf Rbit s/22/kskkMfM 假设每个子带波形抽样为假设每个子带波形抽样为fsk,每个抽样用每个抽样用Rk比特编比特编码，则码，则总的传输速率等于每个子带的编码比特率总的传输速率等于每个子带的编码比特率的总和。的总和。在等带宽子带编码中在等带宽子带编码中式中式中W为总带宽，单位是赫兹；为总带宽，单位是赫兹；M为子带的数目为子带的数目数字通信数字通信LCU73 由于第由于第k个子带的抽样率为个子带的抽样率为

52、 ,则则总传输速率总传输速率简化为：简化为：2k12/MkkIRbit sM 上式为等带宽分割时的传输率。上式为等带宽分割时的传输率。 如果将总比特数表示为如果将总比特数表示为1MkkRMR则则2/IRbit s 这是这是全带编码时的传输速率表示式全带编码时的传输速率表示式，R为对全带采样编码为对全带采样编码 时的平均比特数。时的平均比特数。11MkkRRM数字通信数字通信LCU74例题例题 一个一个4子带的子带的SBC系统，子带分别为系统，子带分别为0800,8001600,16002400,24003200,如如果忽略同步码的边带信息，子带的比特分配分别为果忽略同步码的边带信息，子带的比特

53、分配分别为3，2，1，0 比特比特/样值样值,求总的传输速率和全带采样时的求总的传输速率和全带采样时的平均比特数。平均比特数。数字通信数字通信LCU75 正交镜象滤波器正交镜象滤波器(QMF)是数字滤波器中的一种特殊是数字滤波器中的一种特殊的新型滤波系统，它由一个低通滤波器和一个与的新型滤波系统，它由一个低通滤波器和一个与其正交的镜象高通滤波器构成，其最大优点是在其正交的镜象高通滤波器构成，其最大优点是在对信号进行滤波选抽分解和反滤波插值重构时不对信号进行滤波选抽分解和反滤波插值重构时不会产生因频率混叠而带来的信号失真。会产生因频率混叠而带来的信号失真。 由于分割频带所用的滤波器不是理想的滤波

54、器，由于分割频带所用的滤波器不是理想的滤波器，经过分带、编码、译码后合成的输出音频信号会经过分带、编码、译码后合成的输出音频信号会有混迭效应。采用正交镜象滤波器来划分频带，有混迭效应。采用正交镜象滤波器来划分频带，混迭效应在最后合成时可以抵消。混迭效应在最后合成时可以抵消。3 3、正交镜象滤波器正交镜象滤波器数字通信数字通信LCU76 QMF简化的幅频特性简化的幅频特性 ( )()2sHLfHfHf数字通信数字通信LCU77 图中，用图中，用QMF把全带音频信号分割成两个等带宽子把全带音频信号分割成两个等带宽子带。带。hH(n)和和hL(n)分别表示高通滤波器和低通滤波器，分别表示高通滤波器和

55、低通滤波器，它们组成一对正交镜象滤波器。这两个滤波器也叫做它们组成一对正交镜象滤波器。这两个滤波器也叫做分析滤波器。分析滤波器。 用正交镜象滤波器分割频带的子带编译码简化框图。用正交镜象滤波器分割频带的子带编译码简化框图。数字通信数字通信LCU784 4、子带的划分、子带的划分 下面以下面以语音子带编码为例语音子带编码为例说明其过程。音频频带的说明其过程。音频频带的分割可以用树型结构的式样进行划分。分割可以用树型结构的式样进行划分。 首先把整个音频信号带宽分成两个相等带宽的子带：首先把整个音频信号带宽分成两个相等带宽的子带：高频子带和低频子带。然后对这两个子带用同样的高频子带和低频子带。然后对

56、这两个子带用同样的方法划分，形成方法划分，形成4个子带。这个过程可按需要重复下个子带。这个过程可按需要重复下去。用这种办法可以产生等带宽的子带，也可以生去。用这种办法可以产生等带宽的子带，也可以生成不等带宽的子带。成不等带宽的子带。 P121 图图3.3.6数字通信数字通信LCU79 子带编码存在的问题是子带编码存在的问题是编解码的延时比较长编解码的延时比较长，约在，约在几十几十100ms之间，这主要是滤波器组的延时造成的，之间，这主要是滤波器组的延时造成的，这种延时对于一些通信系统是不能接受的，因此子这种延时对于一些通信系统是不能接受的，因此子带编码主要用于声频存储、数字声广播以及一些允带编

57、码主要用于声频存储、数字声广播以及一些允许延时较长的电话传输系统中。许延时较长的电话传输系统中。数字通信原理与技术数字通信原理与技术LCU80六、六、 参数编码参数编码数字通信数字通信LCU81PCM ADPCM16 64/LPC/kbit skbit skbit s波形编码：、语音编码 参数编码：声码器编码方式以下其他编码：SBC等 4.816数字通信数字通信LCU82单元学习提纲 （1）了解语音信号模型的相关概念；）了解语音信号模型的相关概念； （2）理解线性预测声码器的基本原理；）理解线性预测声码器的基本原理； （3）了解）了解LPC声码器的缺点声码器的缺点 数字通信数字通信LCU831 1、语音信号模型、语音信号模型 1 1）浊音浊音：又称声音。声带在气流的作用下准周期地：又称声音。声带在气流的作用下准周期地闭合或开启，从而在声带中激励起准周期的声波。闭合或开启，从而在声带中激励起准周期的声波。具有明显的准周期特性。具有明显的准周期特性。 浊音信号的能量主要集中在各基音的谐波频率附近，浊音信号的能量主要集中在各基音的谐波频率附近，而且主要集中于低于而且主要集中于低于3KHz的范围内。的范围内。P